研究内容 | 名古屋大学　小橋・高田研究室

金属3Dプリンタを利用した金属構造体の機能創出と多機能化

金属３Dプリンタ（金属粉末積層造形）は次世代のものづくり技術のひとつです．この技術は，従来の加工法では不可能な三次元複雑形状部品の作製を可能とします．本研究室では，金属３Dプリンタを利用し，気孔の形，大きさ，分布等の制御・最適化（ラティス構造体）を通じて，材料の新しい機能の創出を目指します．金属３Dプリンタが生み出す造形体の特異な微視組織や原子構造を解明し，マイクロ・ナノスケールの観点からの機能創製も目的としています．また，ラティス構造体を利用した他の機能性材料との複合化によって，これまでにない多くの機能を持つ材料創製も目指しています．

【キーワード】ポーラス金属、金属粉末積層造形、Additive Manufacturing (AM)、ラティス構造体、衝撃吸収特性、熱マネジメント

【研究テーマ】アルミニウム合金ラティス構造体の衝撃吸収特性・アルミニウム合金ラティス構造体の不均一な微視組織の解析・金属３Dプリンタにより作製された鉄鋼造形体の組織制御・WC/Co超硬合金の金属3Dプリンタ造形（知の拠点あいち重点プロジェクト）

【最近の研究成果】
・レーザ積層造形技術が生み出すアルミニウム合金造形体の特異な組織形成 , 高田尚記，鈴木飛鳥，小橋眞 , 鋳造工学 , 91巻 9号（頁：612-617） , 2019年（解説論文）

・アルミニウム合金粉末のレーザ積層造形に伴う組織形成の理解に向けて , 高田尚記，生出佳，小林卓哉，鈴木飛鳥，小橋眞 , 粉体および粉末冶金 , 66巻 12号（頁：573-580） , 2019年（解説論文）

・Design of laser parameters for selectively laser melted maraging steel based on deposited energy density, Asuka Suzuki, Ryoya Nishida, Naoki Takata, Makoto Kobashi,Masaki Kato, Additive Manufacturing , 28巻（頁：160-168） , 2019年

・Effects of Heat Treatments on Compressive Deformation Behaviors of Lattice‐Structured AlSi10Mg Alloy Fabricated by Selective Laser Melting, Asuka Suzuki, Keito Sekizawa, Mulin Liu, Naoki Takata, Makoto Kobashi , Advanced Engineering Materials （頁：1900571） , 2019年

・Development of gradient microstructure in the lattice structure of AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting , Mulin Liu, Naoki Takata, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , Journal of Materials Science & Technology 36巻（頁：106-117） , 2020年

・Anomalous strengthening by supersaturated solid solutions of selectively laser melted Al–Si-based alloys, Naoki Takata, Mulin Liu, Hirohisa Kodaira, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , Additive Manufacturing , 33巻（頁：101152） , 2020年

ポーラス材料の気孔形態制御による高強度・高機能材料の創製

ポーラス材料の気孔の“かたち”を制御することで新しい機能の創出と最高性能の発揮を目指す材料開発を進めています。機能を最大限発揮するのは、どのような“かたち”なのか？また、そのような“かたち”を生み出すためにどうすればよいのかを考えて、従来の材料開発のブレークスルーを目指します。
【キーワード】ポーラス材料、多孔質材料、発泡材料、形態制御、熱マネッジメント、燃焼合成反応

【研究テーマ】
・金属間化合物やセラミックスの新機能ポーラス材料の開発
・熱交換特性の向上を狙った熱媒体流路内への連通気孔型多孔質層の充填
・高耐熱性断熱材料の開発
・強い毛細管力を生み出す微細気孔多孔体の開発

【最近の研究成果】
・Compressive properties of porous Ti–Al alloys fabricated by reaction synthesis using a space holder powder , Naoki Takata, Keisuke Uematsu, Makoto Kobashi , Materials Science and Engineering A , 697巻（頁：66-70） , 2017年

・Fabrication of porous NiAl intermetallic compounds with a hierarchical open-cell structure by combustion synthesis reaction and space holder method, Yunmao Shua, Asuka Suzuki, Naoki Takata, Makoto Kobashi , Journal of Materials Processing Technology , 264巻（頁：182-189） , 2019年

・Microstructure and compressive properties of porous hybrid materials consisting of ductile Al/Ti and brittle Al3Ti phases fabricated by reaction sintering with space holder , Asuka Suzuki, Naoki Kosugi, Naoki Takata, Makoto Kobashi , Materials Science and Engineering: A , 776巻 3号（頁：139000） , 2020年

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相互浸透層を利用したCFRP/金属接合

航空機、自動車などの輸送機器を始めとして様々な分野でマルチマテリアル化が進んでいます。構造物のマルチマテリアル化に伴い、多様な組み合わせの異種材料を接合する技術の開発が必要です。中でも、樹脂（含むCFRP）と金属を強力に接合する技術は、特に重要な課題です。本研究では、金属の表面に複雑なアンカー構造を付与し、植物が根付くように空隙部分へ樹脂を含浸させて、強力なアンカー構造を持つ樹脂/金属接合体（相互浸透層）を得るプロセスを開発しています。特に、相互浸透層を作るための金属表面の多孔質化プロセスの開発と界面の形態の最適化に関する研究をを進めています。
【キーワード】相互浸透層、表面多孔質化、樹脂含浸、レーザー加工、粉末焼結

【研究テーマ】
・粉末を利用したチタン表面の多孔質化プロセス
・スペーサー法によるアルミニウム表面の多孔質化プロセス
・レーザー加工による金属表面へのアンカー形状付与
・界面形態の最適化デザイン

【最近の研究成果】
・Effect of layer thickness on bonding strength of Al/epoxy resin joints via interpenetrating phase layer, Asuka Suzuki, Yuta Arai, Naoki Takata, Makoto Kobashi , Journal of Materials Processing Tech., 254巻（頁：338-345） , 2018年
・Structural design and bonding strength evaluation of Al/epoxy resin joint via interpenetrating phase layer, Asuka Suzuki, Yuta Arai, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Journal of Materials Processing Tech., 262巻（頁：11-18）, 2018年

Joining of metals and polymers using powder metallurgy with laser irradiation, Seung-Gwang Kim, Asuka Suzuki, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Journal of Materials Processing Technology Vol. 270（頁：1-7）, 2019年

・Synthesis and structural control of Fe-based porous layer on Fe substratefor joining with resin parts using combustion reaction , Asuka Suzuki, Kazuki Noritake, Naoki Takata, Makoto Kobashi , Advanced Powder Technology , 30巻（頁：2101-2109） , 2019年

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金属/セラミックス複合材料の反応合成とセラミックス相形態制御

複数の素材を組み合わせることにより、単一材料では得られない特性（または、特性の組み合わせ）を実現することができます。また、単一材料では一義的に決まってしまう様々な特性を制御することも可能である。本研究では、元素粉末からセラミックスを反応合成する時に生じる高い反応熱を利用して、濡れ性が良好なセラミックス/溶融金属界面を形成し、セラミックスと金属を複合化するプロセスを開発しています。特に第二相の形態（粒子状、繊維状、網目状など）を制御して目的性能を最大限発揮する究極の材料の開発を進めています。例えば、高熱伝導材中に高剛性材が網目状に存在する構造は、高い熱伝導率と低い熱膨張率を示すことが計算により確認されているので、放熱基板材料としての利用が期待できます。
【キーワード】金属基複合材料、セラミックス基複合材料、反応浸透法、燃焼合成反応、放熱基板材料

【研究テーマ】
・化学反応を利用した各種金属とセラミックスの複合化プロセスの開発
・放熱基板材料としての高熱伝導率複合材料の開発（銅基複合材料）
・高耐熱性、高剛性複合材料の開発（アルミニウム、チタン、鉄基複合材料）

【最近の研究成果】

・燃焼合成反応を利用した Fe/TiB2 複合材料の合成とポーラス化, 伊藤峻，高田尚記，小橋眞 , 粉体および粉末冶金 , 64巻 6号（頁：288-294） , 2017年

・Synthesis of porous Al/Al3Ti composite with hierarchical open–cell structure for combining with phase change material, Asuka Suzuki, Shohei Miyake, Wataru Naruse, Naoki Takata, Makoto Kobashi , Journal of Alloys and Compounds , 770巻（頁：1100-1111） , 2019年

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耐熱アルミニウム基超合金の設計と高強度化に資する組織制御

アルミニウムは構造用金属材料の最も一般的な材料のひとつです．本研究室では，主に熱力学を基礎学問とした平衡状態図を基にアルミニウム合金の設計を行い，高強度化及び高機能化を目的とした組織制御法の確立に取り組みます．

ひとつの例は，耐熱アルミニウム合金です．既存の耐熱用途のアルミニウム合金（Alloy 2618）の適応限界温度は約180℃であり，融点の半分以下です．このアルミニウムの高温における低い強度は，強化相が熱力学的に不安定である（準安定相を用いた析出強化）ことと，低い強化相の体積率に起因しています．本研究では耐用温度300℃以上を目指した新規アルミニウム鋳造合金の設計原理構築を長期的な目標とし，体積率60%の熱力学的に安定な金属間化合物相（立方晶Al6Mg11Zn11-T相及び六方晶Zn2Mg-η相）を実現するAl-Mg-Zn３元系モデル合金を設計しました（上図参照）．それらのα-Al(fcc)/金属間化合物の二相組織形態，結晶学的特徴及び高温における安定性を電子顕微鏡を用いて解明するとともに，高温強度の調査も実施します．現在，大阪大学萩原幸司先生の研究室や自動車関連企業と連携し，学術的発展だけでなく産業応用の観点からも研究を進めています。

【耐熱アルミニウム合金に関する研究成果】
・Microstructure of intermetallic-reinforced Al-based alloy composites fabricated using eutectic reactions in Al–Mg–Zn ternary system, Naoki Takata, Taiki Okano, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , Intermetallics , 95巻（頁：48-58） , 2018年

・Microstructure and strength of a novel heat-resistant aluminum alloy strengthened by T-Al6Mg11Zn11 phase at elevated temperatures, Naoki Takata, Masato Ishihara, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , Materials Science & Engineering , A739巻（頁：62-70） , 2019年

・Tensile Properties of a Heat-Resistant Aluminium Alloy Strengthened by T-Al6Mg11Zn11 Intermetallic Phase, Satoshi Nakatsuka, Masato Ishihara, Naoki Takata, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , MRS Advances 4巻 25-26号（頁：1485-1490） , 2019年

・Morphology and mechanical properties of the T-Al6Mg11Zn11 phase in the eutectic microstructure of Al–Zn–Mg ternary alloys, Naoki Takata, Taiki Okano, Motonari Aikawa, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi, Koji Hagihara , Intermetallics , 124巻（頁：106881） , 2020年

・In Situ Scanning Electron Microscopy Observation of Crack Initiation and Propagation in Hydroxide Films Formed by Steam Coating on Aluminum-Alloy Sheets, Hongmei Li, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Ai Serizawa , materials , 13巻（頁：1238） , 2020年

マイクロピラー圧縮試験法を利用した複合／複相材料の局所力学特性評価

マイクロピラー圧縮試験は，収束イオンビーム（Foucs Ion Beam: FIB）加工により観察試料の特定箇所から大きさ数μmの試験片（マイクロピラー）を作製し，ナノインデンターを用いた圧縮試験により力学特性を調べる手法です（図参照）．これまで，本手法は比較的簡便に単結晶の圧縮試験が可能であることから，結晶性材料の強度及び変形の基礎研究に用いられてきました．（例えば，J.R. Greer, Prog. Mater. Sci (2011)）本研究室では、観察試料において微細かつ特定の領域から作製した試験片の力学特性を実験的に測定可能である特徴を生かし，金属材料だけでなく複合／複相材料内部の構成相自体の力学特性を調べています（金属間化合物の塑性変形の研究例）．また，多結晶体や複合体から作製した単一の界面を含むマイクロピラーの圧縮試験を試み，その界面強度の実験的測定だけでなく変形に及ぼす界面の役割の解明を目指しています．

最近の局所力学特性評価に関する研究論文

Plastic deformation of the C14 Laves phase (Fe,Ni)(2)Nb , Takata N., Armaki H. Ghassemi, Terada Y., Takeyama M., Kumar K. S. , SCRIPTA MATERIALIA , 68巻 8号（頁：615-618） , 2013年

高純度アルミニウム単結晶マイクロピラーの強度に及ぼす試験片寸法及び形状の影響 , 竹安　崇一郎，高田尚記，鈴木　飛鳥，小橋眞 , 軽金属 , 68巻 5号（頁：250-256） , 2018年

Anomalous size-dependent strength in micropillar compression deformation of commercial-purity aluminum single-crystals , Naoki Takata, Soichiro Takeyasu, Hongmei Li, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , Materials Science & Engineering A , 772巻 20号（頁：138710） , 2020年

Strain Rate Sensitivity of Flow Stress Measured by Micropillar Compression Test for Single Crystals of 18Cr Ferritic Stainless Steel, Tianqi Zhu, Hongmei Li, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Masataka Yoshino , ISIJ International , 60巻 4号 in press , 2020年

Effect of Trace Solute Titanium on Plastic Deformation of α-(Fe, Cr) Single-Crystal Micropillars Fabricated from 18Cr Ferritic Stainless Steel, Hongmei Li, Tianqi Zhu, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Masataka Yoshino , Materials Science and Engineering: A （頁：140455） , 2020年

溶融亜鉛めっき鋼板における皮膜／鋼板界面の複合構造制御

日本の鉄鋼技術は世界トップレベルであり，その技術の粋を集めた主力製品のひとつに亜鉛（Zn）めっき表面処理鋼板が挙げられます．安価な鋼材に優れた機能性を付与する表面処理技術は，新興国の追随を許さない技術のひとつです．現在，国内粗鋼生産量（約11,000万トン）の11％以上の鋼材がZnめっき処理によって付加価値を向上させています．今後，従来の軟鋼から高強度鋼への適用拡大は必然であり，更なる増産が予測されます．Znめっき鋼板の高強度化に伴い，鋼板/めっき層の密着強度の改善が必要となります．めっき密着性は鋼板（Fe）/めっき（Zn）界面組織（Fe-Zn金属間化合物層の形成）に依存し，その界面は複数のFe-Zn金属間化合物層（Fe-Zn2元系状態図参照）からなる複合構造を有します．本研究室では，Znめっき鋼板のFe/Zn界面の複合構造制御を目指し，溶融めっき処理時におけるFe／Zn固液界面反応に及ぼす高強度鋼板に必須元素（SiやMnなど）の影響を，主に熱力学の観点から調べています．また国内企業と連携し，溶融亜鉛めっき処理の様々な要素技術に関する基礎研究を行っています．

これらの研究は，めっき総合雑誌「鍍金の世界」2020年5月号(No. 628)に紹介されました．

【最近の研究成果】

Formation sequence of Fe–Al intermetallic phases at interface between solid Fe and liquid Zn–6Al–3Mg alloy, Hiroki Yokoi, Naoki Takata, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , Intermetallics , 109巻（頁：74-84） , 2019年　

Enhanced Interfacial Reaction of Fe–Si Alloy Sheets Hot-Dipped in Zn Melt at 460℃ , Naoki Takata, Kunishisa Hayano, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi , ISIJ International , 58巻 9号（頁：1608-1615） , 2018年

460℃におけるFe-Si合金／純Zn浴の特異な固液界面反応, 高田　尚記，早野　邦尚，鈴木　飛鳥，小橋　眞 , 鉄と鋼 , 105巻 7号（頁：693-700） , 2019年

溶融Zn-0.2Al浴に浸漬したFe-Si合金におけるFe2Al5 相の形成, 高田　尚記，早野　邦尚，鈴木　飛鳥，小橋　眞 , 鉄と鋼 , 105巻 7号（頁：701-708） , 2019年

490MPa級鋼材の溶接熱影響部における溶融亜鉛脆化に及ぼす微量ボロン添加の影響 , 山本　雅之，村山　敬司，李　鴻美，高田　尚記 , 鉄と鋼 , 105巻 7号（頁：742-751） , 2019年

溶融Znめっき鋼板のFe/Zn固液界面反応に及ぼす鋼板組織の影響 , 高田尚記, 竹山雅夫 , 鉄と鋼 , 100巻 9号（頁：1172-1179） , 2014年